november 30, 2022

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

Fysikere observerer flyktige kvasipartikler av 'Polaron' for første gang

Fysikere observerer flyktige kvasipartikler av «Polaron» for første gang

Polarons er viktige fenomener i nanoskalaen: en forbigående konfigurasjon mellom elektroner og atomer (kjent som kvasipartikler) som bare eksisterer i en milliarddel av et sekund.

Disse konfigurasjonene har unike egenskaper som kan hjelpe oss med å forstå noe av den mystiske oppførselen til materialene de danner, og forskere har nettopp observert dem for første gang.

Polaronene ble målt i blyhybridperovskitter, neste generasjons solcellematerialer som lover å øke konverteringsfrekvensen utover silisiumpanelene som primært brukes i dag. Forskere håper at polaronobservasjoner vil hjelpe oss å fortelle oss nøyaktig hvordan perovskitter konverterer sollys til elektrisitet så godt.

For å finne polaronene trente forskerne lyset i enkeltkrystaller av blyhybridperovskitter, og observerte med en gigantisk fri elektron-røntgenlaser kalt Linjær sammenhengende lyskilde (LCLS) – I stand til avbildningsmaterialer på de minste skalaene for de korteste tider, opptil en milliarddel av et sekund (eller pikosekunder).

(Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Over: Illustrasjon av polaroner i blyhybridperovskitt.

«Når et materiale lades ved å treffe det med lys, som i en solcelle, frigjøres elektroner og de frie elektronene begynner å bevege seg rundt i materialet.» sier fysiker Burak Guzelturk fra Argonne National Laboratory, drevet av US Department of Energy.

«Snart blir de omringet og oppslukt av en slags lokal warpeboble, polaron, som reiser sammen med dem. Noen mennesker har hevdet at denne boblen beskytter elektronene mot å spre seg fra defekter i materialet og hjelper til med å forklare hvorfor de reiser. så effektivt. til kontakt med solcellen for å strømme som elektrisitet. «

Så lovende som perovskitter er som et solcellepanelmateriale, er det ikke helt klart hvorfor – de har mange feil som skal begrense hvor godt strøm kan strømme gjennom dem, og de er notorisk sprø og ustabile. Polarons kan gi noen svar.

READ  Systematisk litteraturgjennomgang støtter fordelene med biologiske legemidler for sjelden type psoriasis

Disse polaronene er i hovedsak korte forvrengninger av materialets atomgitterstruktur, og de ble vist å skifte rundt 10 lag med atomer utover. Forvrengningen økte avstanden til de omkringliggende atomer med omtrent 50 ganger, til 5 milliarddeler av en meter, i titalls pikosekunder.

De små forvrengningene, eller boblene, var større enn forskere forventet, og de fikk bevege seg gjennom den fleksible og glatte atomgitterstrukturen til hybrid perovskitt. Materialet oppfører seg noe som et fast stoff og en væske på samme tid.

«Disse materialene har tatt felt innen solenergiforskning med storm på grunn av høy effektivitet og lave kostnader, men folk krangler fortsatt om hvorfor de jobber.» sier materialforsker Aaron Lindenberg fra Stanford University.

«Ideen om at polaroner kan være involvert har eksistert i flere år, men eksperimentene våre er de første som direkte ser på dannelsen av disse lokale forvrengningene, inkludert størrelse, form og hvordan de utvikler seg.»

Mens perovskitter allerede brukes i solenergiproduksjon, ofte i kombinasjon med silisium, er de ikke uten utfordringer; Selv om vi har sett betydelige effektivitetsgevinster fra disse materialene, antas de å være i stand til enda mer.

Etter hvert som årene går fortsetter forskere å overvinne hindringer som har holdt solcellepanelens effektivitet lavere enn de burde være, og med vår økende avhengighet av solanlegg kan forbedringer på til og med noen få prosentpoeng markere et stor forskjell.

Forskerne bak polaron-oppdagelsen er imidlertid ivrige etter å understreke at de ennå ikke har svart på alle spørsmålene om disse kvasipartiklene, og det er mye mer å lære om deres innvirkning på perovskitter og andre materialer.

READ  UNMSM: Hvilke yrker kan du studere i San Marcos?

«Selv om dette eksperimentet viser så direkte som mulig at disse gjenstandene faktisk eksisterer, viser det ikke hvordan de bidrar til effektiviteten til en solcelle,» la han til. sier Lindenberg. «Det er fortsatt arbeid å gjøre for å forstå hvordan disse prosessene påvirker egenskapene til disse materialene.»

Forskningen er publisert i Naturmaterialer.